Une collaboration internationale calcule le coefficient de diffusion des quarks lourds

La science

À l’aide de certains des superordinateurs les plus puissants au monde, les théoriciens ont réussi à calculer le coefficient de diffusion des quarks lourds. Ce nombre décrit la rapidité avec laquelle une soupe fondue de quarks et de gluons – les éléments constitutifs des protons et des neutrons, qui sont libérés lors de collisions de noyaux dans de puissants collisionneurs de particules – transfère son élan aux quarks lourds. Il s’avère que la réponse est très rapide. En fait, c’est à la limite de ce que permet la mécanique quantique. Les calculs montrent que les quarks et les gluons libérés lors de ces collisions ont tellement d’interactions fortes et à courte portée avec les quarks plus lourds qu’ils entraînent les quarks lourds « en forme de rocher ».

L’impact

Le calcul aidera les scientifiques à expliquer les résultats expérimentaux montrant que des quarks lourds sont pris dans le flux de matière généré lors des collisions d’ions lourds. Les chercheurs créent ces collisions au collisionneur d’ions lourds relativistes et au grand collisionneur de hadrons. La nouvelle analyse ajoute également des preuves à l’appui selon lesquelles la matière créée lors de ces collisions, un plasma quark-gluon (QGP), est un liquide presque parfait. Ce liquide a une viscosité si faible qu’elle se rapproche des limites de la mécanique quantique. Enfin, la recherche met en valeur la forte collaboration internationale entre les théoriciens et la communauté de recherche en physique nucléaire.

Résumé

Voir des quarks lourds couler avec du QGP peut sembler aussi étrange que voir une roche lourde couler avec un ruisseau. Mais la faible viscosité du QGP – la soupe chaude de quarks et de gluons libérés des protons et des neutrons lors de la collision de deux ions lourds – fournit une explication. Cela signifie qu’il existe de nombreuses interactions fortes entre ces particules libérées. Cela implique que le « libre parcours moyen » – la distance qu’une particule peut parcourir avant d’interagir avec une autre – est extrêmement petit. Les quarks lourds avec un libre parcours moyen tout aussi petit connaîtraient suffisamment d’interactions pour être entraînés.

Les théoriciens de la collaboration HotQCD ont calculé le coefficient de diffusion des quarks lourds, qui est proportionnel à la force avec laquelle les quarks lourds interagissent avec le plasma, pour vérifier cette compréhension. Ils ont utilisé de puissants superordinateurs et la QCD sur réseau, une technique permettant de résoudre les équations complexes de la chromodynamique quantique, la théorie qui décrit les interactions des quarks et des gluons. Ils ont constaté que le coefficient de diffusion des quarks lourds était très élevé. Le résultat révèle que le libre parcours moyen des quarks lourds au sein du QGP est en effet assez court. Les calculs aideront les théoriciens à améliorer les simulations de la manière dont les quarks lourds sont produits à l’intérieur du QGP généré par les collisions d’ions lourds, et de la manière dont leurs interactions changent à mesure que le QGP évolue.

Financement

Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l’énergie, le Bureau de physique nucléaire dans le cadre de la collaboration théorique sur la découverte scientifique via le calcul avancé (SciDAC) et la théorie des saveurs lourdes (HEFTY), ainsi que par d’autres bailleurs de fonds pour les collaborateurs individuels répertoriés. dans l’article scientifique. Il a utilisé les ressources informatiques du National Energy Research Scientific Computing Center, d’une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory et des installations de la collaboration USQCD.

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